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几种化合物与合金的单晶及其氧化各向异性

姜艳  
【摘要】: 各向异性是晶体材料的最基本的特性。由于晶体排列长程有序,导致晶体材料的一些物理性能呈现各向异性的特征。其中氧化腐蚀也表现出各向异性的特性,单晶的高温氧化性能和晶体取向有关。本文选择了几种典型的单晶高温材料,包括难熔金属单质Nb单晶(BCC结构)、DZ4镍基单晶高温合金(FCC结构)以及Ni3Al(L12有序面心立方结构)、MoSi2金属间化合物(C11b四方晶体结构)等,系统研究了氧化的各向异性,包括氧化动力学与晶面的依赖关系,氧化产物等,也从晶体学的角度研究了几种典型的高温材料的氧化性能与晶体学位向的依赖关系。 研究结果表明,Nb单晶不同晶面在250℃下恒温氧化200min的条件下,氧化表现出各向异性,不同晶面的氧化增重由大到小的顺序为(100)(111)(110)。三个晶面的氧化产物都是Nb2O5。DZ4镍基单晶不同晶面在900℃恒温氧化的条件下,铸态和热处理态的三个典型晶面的氧化速率关系为(100)(111)(110)。镍基单晶枝晶间与枝晶干的元素偏析不同,氧化后枝晶干和枝晶间的氧化产物也存在明显的差别。Ni3Al单晶在1100℃长时和短时氧化后均表现出氧化行为的各向异性。不同晶面氧化时反应速率由高到低的顺序分别为(111)(100)(110)面。不同晶面的氧化膜的组成相同,包括NiO的外氧化层,尖晶石NiAl2O4的中间层和Al2O3的内氧化层。MoSi2单晶氧化时反应速率由高到低的顺序分别为(101)(100)(001)(110)。MoSi2氧化的晶体学各向异性与温度无关。 材料氧化性能的各向异性对单晶材料而言具有普遍性。对于BCC结构的Nb单晶,原子堆积密度最大的晶面氧化反应的速率最小,其余晶面原子的排列密度和氧化速率没有很好的对应关系,说明氧原子的扩散不是氧化的唯一控制因素。对于FCC结构的DZ4镍基单晶合金,不同晶体取向的单晶沿生长方向的枝晶形貌、一次枝晶间距、元素偏析、两相边界的空间排列等不同,导致不同晶面的氧化存在各向异性。对于L12面心立方有序结构的Ni3Al单晶,原子堆积密度最大的晶面氧化反应的速率也最大,原子堆积密度最小的晶面氧化反应的速率也最小。氧的向内扩散导致内氧化的加剧,不同晶面内氧化膜的形成速率和氧的扩散速率是氧化各向异性的关键因素。对于C11b四方晶体结构MoSi2单晶,氧通过氧化膜向内扩散的速率在各晶面的不同对氧化的各向异性产生影响。


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